CN105845123B - 一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，由可拆卸放电触头和放电电极杆组成。可拆卸放电触头安装在放电电极杆的一端，采用锥面啮合加螺纹锁紧的方式装配连接，可实现较小的接触电阻和良好的水密功能，既保证高的放电效率和放电稳定性，又避免在大功率大电流情况下容易烧结的问题，还便于放电触头的经常更新维护。可拆卸放电触头采用高强度耐烧蚀的合金内芯和导电性能好、抗冲击的外部导电层，以采用复合结构方式烧结或熔铸形成一体化整体，既获得了良好的放电特性和耐烧蚀性能，又能够可靠分解放电触头承受的巨大冲击力，同时有提高导电性能和导热性能，有效减少放电触头的热量积累，延长了放电电极头的工作寿命。

Description

一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头
技术领域
本发明涉及一种放电电极头，具体为一种用于大功率水下等离子体强声源的高强度、抗冲击和耐烧蚀的可拆卸放电电极头。
背景技术
水下等离子体强声源工作时，利用高电压(10kV以上)瞬间作用在水下两电极之间，产生电弧或电晕放电行为，在两电极间形成等离子体通道，从而产生能量巨大的冲击压力波。因此，放电电极是水下等离子体强声源中将系统电能转化为机械能的核心部件，直接决定了系统的电声转换效率、脉冲特性和工作寿命，也是需要经常更换的关键消耗部件。当放电电极头部出现严重烧蚀或者折断损坏时，就会影响水下等离子体强声源的正常工作。
由于大功率水下等离子体强声源放电电极头部的工作环境极其恶劣，不仅要流过高达几十kA至几百kA的瞬时脉冲大电流，而且还要重复承受放电电弧的烧蚀和高温(2×104K～5×104K)，以及等离子体放电产生的巨大冲击压力(可达1Gpa)。长期以来，放电电极头的质量和寿命成为制约大功率水下等离子体强声源高重复频率和长时间工作的世界难题和技术瓶颈。
现有技术中公开了许多放电电极，但都存在各种各样的缺点。如专利CN00204843.4(放电电极)中提到的放电电极为一体式放电电极，且通流能力小、易变形，一旦电极头部受损，必须整体更换，势必造成极大的人力和材料资源浪费。而专利US4809682(Underwater electrodes for contactless lithotripsy)中提到的放电电极，虽然将电极头和电极杆设计为组合结构，但其装配在一个整体衬套中，不变更换。专利CN200920101579.5(放电电极)和专利US6217531(Adjustable electrode and relatedmethod)的放电电极，其电极头和电极杆采用螺纹连接方式，但这种结构不仅接触电阻大，放电效率低、放电不稳定，且在大功率大电流的情况下容易烧结，导致无法更换电极头。
发明内容
为了克服现有放电电极的不足，本发明提供一种高强度、耐烧蚀、抗冲击、低成本、可拆卸的大功率水下等离子体强声源放电电极头。
本发明的技术方案为：
所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：由可拆卸放电触头和放电电极杆组成；
所述放电电极杆由放电电极主体和可拆卸放电触头安装孔组成；可拆卸放电触头安装孔处于放电电极主体一端；所述可拆卸放电触头安装孔为分段盲孔；分段盲孔的内段为螺纹孔段，分段盲孔的外段为锥面孔段；
所述可拆卸放电触头由合金内芯和外部导电层组成；合金内芯与外部导电层采用整体烧结法或熔铸法加工为一体化结构；合金内芯与外部导电层同轴对中，且合金内芯凸出外部导电层端部的结构为圆锥形结构，圆锥形结构顶端为圆弧面；外部导电层外表面加工为三段，依次为拆卸工作段、与放电电极杆中锥面孔段配合的啮合锥面段、以及以与放电电极杆中螺纹孔段配合的锁紧螺纹段；
所述可拆卸放电触头中外部导电层外表面的啮合锥面段以及锁紧螺纹段，对应装入放电电极杆中的锥面孔段和螺纹孔段；锁紧螺纹段与螺纹孔段螺纹锁紧装配，啮合锥面段与锥面孔段锥面啮合。
进一步的优选方案，所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：在采用整体烧结法或熔铸法加工前，合金内芯嵌入外部导电层部分的根部加工成圆锥台型。
进一步的优选方案，所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：在采用整体烧结法或熔铸法加工前，合金内芯嵌入外部导电层部分的根部加工成带有圆锥外螺纹。
进一步的优选方案，所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：放电电极杆中的锥面孔段，以及可拆卸放电触头的啮合锥面段的锥度为10～50度。
进一步的优选方案，所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：合金内芯圆弧面的圆弧半径R取1～5mm。
进一步的优选方案，所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：合金内芯的材料采用铜钨合金或稀土铜钨合金。
进一步的优选方案，所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：外部导电层的材料采用锡青铜、铬青铜或铍青铜中的一种。
有益效果
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的可拆卸放电触头与放电电极杆采用锥面啮合加螺纹锁紧的方式装配连接，可实现较小的接触电阻和良好的水密功能，既保证了高的放电效率和放电稳定性，又避免在大功率大电流情况下容易烧结的问题，还便于放电触头的拆卸更新维护。
(2)本发明的可拆卸放电触头采用高强度耐烧蚀的合金内芯和导电性能好、抗冲击的外部导电层，以采用复合结构方式烧结或熔铸形成一体化整体，既获得了良好的放电特性和耐烧蚀性能，又能够可靠分解放电触头承受的巨大冲击力，同时有提高导电性能和导热性能，有效减少放电触头的热量积累，延长了放电电极头的工作寿命。
(3)本发明的可拆卸放电触头顶端的合金内芯凸出部分加工成一定曲率、上细下粗的圆锥形结构，既利于放电起弧，又提高了放电触头的抗冲击和抗折断能力；其后端的外部导电层加工成啮合锥面和锁紧螺纹，既实现了良好的导电性能和拆卸锁紧性能，又具有较高的结构强度和抗冲击性能。
(4)本发明的合金内芯采用铜钨合金等高强度耐烧蚀电极材料，可获得良好的放电特性和耐烧蚀性能；其根部设计成圆锥台型或圆锥螺纹，可提高合金内芯和外部导电层的结合强度和抗冲击强度。
(5)本发明的外部导电层采用铬青铜等导电导热性能好、抗冲击性能强的材料，采用复合结构与合金内芯烧结形成一体化整体，在保证导电特性的同时，能够可靠分解高重复频率、长时间工作条件下放电触头承受的巨大冲击力，有效减少放电触头的热量积累，延长电极头的工作寿命。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的大功率水下等离子体强声源的放电电极头整体结构。
图2是本发明的可拆卸放电触头结构示意图。
图中，1-可拆卸放电触头，2-放电电极杆，3-合金内芯，4-外部导电层，5-拆卸扳手面，6-啮合锥面，7-锁紧螺纹。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1，本发明用于大功率水下等离子体强声源的放电电极头由可拆卸放电触头1和放电电极杆2组成。可拆卸放电触头1安装在放电电极杆2的一端，采用锥面啮合加螺纹锁紧的方式装配连接，可实现较小的接触电阻和良好的水密功能，既保证高的放电效率和放电稳定性，又避免在大功率大电流情况下容易烧结的问题，还便于放电触头的经常更新维护。
放电电极杆2由放电电极主体和可拆卸放电触头安装孔组成。可拆卸放电触头安装孔处于放电电极主体一端；所述可拆卸放电触头安装孔为分段盲孔；分段盲孔的内段为螺纹孔段，分段盲孔的外段为锥面孔段。可拆卸放电触头安装孔与放电电极主体共轴同心，保证与可拆卸放电触头实现紧密装配连接。放电电极主体的另一端及外部结构，需要根据放电电极杆的安装要求加工成相应的形状和尺寸。
参照图2，本发明的可拆卸放电触头1由合金内芯3和外部导电层4组成。合金内芯3与外部导电层4采用整体烧结法或熔铸法加工为一体化复合结构。这种一体化复合结构中，合金内芯3除顶端外露部分，其余部分外围复合了外部导电层4，这种外包复合结构可提高可拆卸放电触头1整体的抗冲击和抗折断能力，同时提高导电和导热能力。在烧结或熔铸加工前，合金内芯3嵌入外部导电层部分的根部粗加工成圆锥台型或加工带有圆锥螺纹，可以增加其与外部导电层4的连接面积，可提高合金内芯3与外部导电层4的结合强度和抗冲击强度。烧结或熔铸时，合金内芯3和外部导电层4同轴对中，提高可拆卸放电触头1的抗冲击强度。合金内芯3和外部导电层4烧结或熔铸成一体化结构后，再对可拆卸放电触头1进行一次性成型加工。
可拆卸放电触头1顶端的合金内芯3凸出部分加工成带有圆弧、上细下粗的圆锥形结构，既利于放电起弧，又提高了合金内芯3顶端的抗冲击和抗折断能力。圆弧半径R取1～5mm，R越小更利于放电起弧，曲率R越大更利于提高放电触头的抗冲击和抗折断能力。
可拆卸放电触头1外部导电层4外表面加工为三段，依次为拆卸工作段、与放电电极杆中锥面孔段配合的啮合锥面段、以及以与放电电极杆中螺纹孔段配合的锁紧螺纹段。
如图2所示，拆卸工作段为拆卸扳手面5，便于可拆卸放电触头1的安装和锁紧，同时可以实现可拆卸放电触头1的快速拆卸和更换。
可拆卸放电触头1后端的外部导电层4加工成啮合锥面段6、锁紧螺纹段7，这种锥度结合螺纹与放电电极杆2的连接方式，避免了单一螺纹连接方式接触电阻大、易烧结和易松动、水密封差等问题，可以保证小的接触电阻和水密封功能，实现高的放电效率和放电稳定性，同时还能防止在大功率大电流情况下连接部位发生烧结的现象。啮合锥面段6的锥度尺寸及锁紧螺纹段7的尺寸根据实际情况合理设计，既要保证较小的接触电阻(小于100μΩ)，还要保证良好的水密功能(大于60MPa)。啮合锥面6的锥度尺寸一般取锥度为10～50度、长度为10～50mm，锥度越小、长度越大啮合效果越好。锁紧螺纹7的尺寸一般取直径为6～30mm、长度为10～50mm，直径、长度越大锁紧效果越好。
合金内芯3采用铜钨合金(如CuW60～90)或者稀土铜钨合金(如添加La2O3或Y2O3或Ce2O3稀土氧化物)之类的高强度耐烧蚀电极材料，可获得良好的放电特性和耐烧蚀性能，合金内芯的直径为4～10mm。。铜钨合金利用铜的高导电率和钨的高熔点，具有出色的抗电弧烧蚀、抗熔焊性和良好的导电、导热性。在铜钨合金中添加稀土氧化物，可进一步提高铜钨合金的耐烧蚀性能。
外部导电层4采用锡青铜(如QSn6.5)、铬青铜(如QCr0.5)及铍青铜(如QBe2.0)等导电导热性好、抗冲击性能强的材料，与合金内芯3整体烧结形成一体化复合结构，在保证导电特性的同时，能够可靠分解大功率、高重复频率、长时间工作条件下合金内芯3承受的巨大冲击力，有效减少合金内芯3的热量积累，延长合金内芯3的工作寿命。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，由可拆卸放电触头和放电电极杆组成；所述放电电极杆由放电电极主体和可拆卸放电触头安装孔组成；可拆卸放电触头安装孔处于放电电极主体一端；其特征在于：
所述可拆卸放电触头安装孔为分段盲孔；分段盲孔的内段为螺纹孔段，分段盲孔的外段为锥面孔段；
所述可拆卸放电触头由合金内芯和外部导电层组成；合金内芯与外部导电层采用整体烧结法或熔铸法加工为一体化结构；合金内芯与外部导电层同轴对中，且合金内芯凸出外部导电层端部的结构为圆锥形结构，圆锥形结构顶端为圆弧面；外部导电层外表面加工为三段，依次为拆卸工作段、与放电电极杆中锥面孔段配合的啮合锥面段、以及以与放电电极杆中螺纹孔段配合的锁紧螺纹段；
所述可拆卸放电触头中外部导电层外表面的啮合锥面段以及锁紧螺纹段，对应装入放电电极杆中的锥面孔段和螺纹孔段；锁紧螺纹段与螺纹孔段螺纹锁紧装配，啮合锥面段与锥面孔段锥面啮合。
2.根据权利要求1所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：在采用整体烧结法或熔铸法加工前，合金内芯嵌入外部导电层部分的根部加工成圆锥台型。
3.根据权利要求1所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：在采用整体烧结法或熔铸法加工前，合金内芯嵌入外部导电层部分的根部加工成带有圆锥外螺纹。
4.根据权利要求1～3任一所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：放电电极杆中的锥面孔段，以及可拆卸放电触头的啮合锥面段的锥度为10～50度。
5.根据权利要求4所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：合金内芯圆弧面的圆弧半径R取1～5mm。
6.根据权利要求5所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：合金内芯的材料采用铜钨合金或稀土铜钨合金。
7.根据权利要求6所述一种大功率水下等离子体强声源的放电电极头，其特征在于：外部导电层的材料采用锡青铜、铬青铜或铍青铜中的一种。
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